گروهی از پژوهشگران دانشگاه تگزاس در آستین موفق به توسعه نوعی کانال غشایی مصنوعی شده‌اند که می‌تواند فرآیند دشوار و آلاینده‌ی استخراج عناصر نادر خاکی (REEs) را متحول کند.
به گزارش تکناک، این عناصر نقشی حیاتی در فناوری‌های نوین از جمله نمایشگرهای گوشی هوشمند، باتری‌های پربازده و آهنرباهای قدرتمند دارند.
فهرست مطالب
از نمایشگر گوشی تا قلب فناوری‌های پیشرفته
عناصر نادر خاکی، فلزاتی هستند که با وجود نام‌شان، در بسیاری از وسایل روزمره نقشی کلیدی ایفا می‌کنند. آنها عامل ایجاد رنگ‌های شفاف و زنده در صفحه‌نمایش‌ها هستند و در ساخت تجهیزات حیاتی مانند خودروهای الکتریکی، توربین‌های بادی، رایانه‌های کوانتومی و حتی تولید هیدروژن سبز استفاده می‌شوند.
با این حال، استخراج این عناصر از معادن برای محیط زیست به‌شدت دشوار، پرهزینه و مخرب است. فرآیندهای شیمیایی مرسوم به مراحل زیاد و استفاده از حلال‌های سمی نیاز دارند.
الهام از سلول‌های انسانی برای حل یک چالش جهانی
دکتر مانیش کومار، پژوهشگر اصلی این مطالعه، گفت: عناصر نادر خاکی ستون فقرات فناوری‌های مدرن‌اند، اما استخراج و خالص‌سازی آنها فرایندی انرژی‌بر، پیچیده و در مقیاس صنعتی بسیار دشوار است.
تیم تحقیقاتی دکتر کومار با الهام از پروتئین‌های خاص موجود در سلول‌های بدن انسان که تنها به یک سری یون‌های خاص اجازه عبور می‌دهند، موفق به ساخت نوعی کانال غشایی مصنوعی شده‌اند. این کانال‌ها از مولکول‌هایی حلقه‌ای به نام پیلارارن ساخته شده‌اند که توانایی انتخاب یون‌های خاص و عبوردهی انتخابی آنها را دارند.
تفکیک ۴۰ برابری نسبت به روش‌های سنتی
در آزمایش‌ها، این کانال‌های مصنوعی توانستند یون‌های عناصر نادر خاصی مانند یوروپیم و تربیوم را از میان سایر یون‌ها (مانند کلسیم یا لانتانیدهای مشابه) جدا کنند. میزان دقت و انتخاب‌پذیری این فناوری جدید تا ۴۰ برابر بیشتر از روش‌های شیمیایی سنتی گزارش شده است.
شبیه‌سازی‌های کامپیوتری نیز نشان دادند که این انتخاب‌پذیری بالا به دلیل نحوه متفاوت چیدمان مولکول‌های آب در اطراف یون‌های عناصر نادر است.
آماده‌سازی برای تولید صنعتی و تأمین تقاضای آینده
پژوهشگران اکنون در حال توسعه پلتفرمی صنعتی بر پایه این کانال‌های مصنوعی هستند تا فرآیند جداسازی یون‌ها را در مقیاس‌های بالا و برای عناصر حیاتی دیگر مانند لیتیوم، نیکل و کبالت نیز قابل‌اجرا کنند.
دکتر هارکرشنا بهرا، از پژوهشگران این پروژه، می‌گوید: این تازه شروع کار است. ما در تلاشیم تا فرایندهای پیچیده زیستی را به راه‌حل‌های کاربردی و دقیق تبدیل کنیم، تا بتوانند نیازهای روزافزون فناوری‌های پیشرفته را برآورده سازند.
افزایش چشمگیر تقاضا برای عناصر نادر
بر اساس پیش‌بینی‌ها، تقاضا برای عناصر نادر در دهه آینده تا ۲۶۰۰ درصد افزایش خواهد یافت. این فناوری نوظهور می‌تواند نقش مهمی در تأمین پایدار و دوست‌دار محیط زیست این عناصر ایفا کند.
نتایج کامل این پژوهش در مجله علمی معتبر ACS Nano منتشر شده است.
